Турбомолекулярные насосы: принцип работы

Турбомолекулярными называют безмасляные насосы с механическим принципом действия, способные создавать высокий вакуум в различных емкостях для обеспечения производственных циклов. Работает такое оборудование в паре с форвакуумным насосом (его главная задача – предварительная откачка). Сфера применения неотрывно связана с высокими технологиями, ускорением частиц, производством полупроводников, термоядерным синтезом и т. д. Везде, где лишняя частица газовой среды может повлиять на результат.

Содержание:

Общие сведения о турбомолекулярных насосах
Устройство турбомолекулярного насоса
Принцип работы турбомолекулярного насоса
Типы турбомолекулярных насосов
Виды турбомолекулярных насосов
Основные характеристики турбомолекулярных насосов
Преимущества и недостатки турбомолекулярных насосов
Сфера применения турбомолекулярных насосов
Популярные бренды турбомолекулярных насосов
Ремонт турбомолекулярных насосов

Общие сведения о турбомолекулярных насосах

Вид спереди турбомолекулярного насоса (ТМН) в разрезе

Турбомолекулярный насос (сокращенно ТМН) впервые был описан на уровне физических формул немецким физиком Вольфгангом Геде в 1913 году. Современные модели основаны на следующем принципе: «молекулы газа способны приобретать импульс в заданном направлении вследствие поочередного столкновения с твердыми вращающимися поверхностями».

Важная особенность – невозможность работы ТМН напрямую с атмосферным давлением. Поэтому нужен целый комплект дополнительного оборудования: форвакуумным насос, турбонагнетатель, контроллер, водяное охлаждение, система клапанов и т. д. Система сложная, требующая приглашения профессиональной бригады монтажников. Обслуживание также затруднено: турбомолекулярные аппараты тонко настроены и не терпят «самодельного» вмешательства. Взамен пользователи получают чистый, сверхвысокий вакуум.

Устройство турбомолекулярного насоса

Главный элемент, «сердце» турбомолекулярного насоса – это ротор. На нем закреплены ряды лопаток. Они расположены внутри полостей, перпендикулярных поверхности корпуса. Важная задача при производстве – выдержать наклон и расстояние между лопатками (это процесс контролируется микроскопами и точнейшими установками). Между ними – неподвижные пластины. Зазоры минимальные.

Ротор отбалансирован и закреплен с помощью набора подшипников разных видов. Скорость потока и степень создаваемого вакуума напрямую зависит от формы лопастей, их количества и мощности электродвигателя. Вал и ротор формуются из стойких к перегрузкам и температурным перепадам марок стали и алюминия. Масляные пленки не применяются – они остались только в устаревших моделях.

Принцип работы турбомолекулярного насоса

Ротор – устройство для передачи импульса молекулам газа. Вращаясь вместе с дисками и лопастями с огромной скоростью (до 90 000 оборотов в минуту), он соударяется с газовыми потоками. При этом энергия движущейся частицы газа складывается из импульса, полученного от лопастей, и температурного нагрева.

Если упростить, газ внутри системы проходит через следующие стадии:

Поступление во входной патрубок.
Постепенное сжатие через несколько степеней (роторы наиболее мощных установок имеют более 9 рядов).
Выход среды за счет помощи дополнительно насоса (форвакуумного, о котором говорилось ранее).

В итоге газовые потоки «разгоняются» за счет особой формы лопастей. Они постоянно и резко меняют направление, дополнительно разогреваются и, соответственно, двигаются еще быстрее. Процесс крайне эффективный. Создаваемый вакуум – до 10^-8Па.

Типы турбомолекулярных насосов

Выделяют три группы по типу ротора:

Классический. Здесь применяется пара подшипников, между которыми установлен ротор. Стандартный, самый распространенный способ обеспечения вращательного момента. Масло в подшипниках уже почти не применяется – преимущественно это консистентная смазка. Часто встречаются керамические подшипники.
Гибридный. Нижний подшипник остается механическим, а верхний меняется на магнитный. Жесткая связь ротора со статором отсутствует. Плюс открывается свободный доступ к замене подшипника. Ремонтопригодность такого типа выше.
Магнитный. Все основные усилия воспринимаются магнитами. Механические связи тоже присутствуют, но выполняют преимущественно противоаварийную роль – защищают от повреждений при сильных колебаниях вала.

Главный вывод: в турбомолекулярных насосах либо вообще нет смазки, способной загрязнить газ, либо ее присутствие незначительно. Движение за счет магнитных связей – плавное, без резких вибраций и т. д. Но конструкция крайне сложная.

Виды турбомолекулярных насосов

В зависимости от конструктивного исполнения выделяют следующие виды турбомолекулярных насосов:

цилиндрические с кольцевыми каналами (аппарат Геде);
цилиндрические со спиральными каналами (аппарат Хольвека);
дисковые (аппарат Зигбана).

Последние пользуются повышенным спросом и были впервые показаны публике в 1956 году. Цилиндрические модели с разными видами всасывания могут делить газовый объем на несколько потоков, чтобы повысить эффективность. Внутри нельзя допустить смешивания, поскольку тогда процесс становится неконтролируемым. Поэтому корпус и все внутренние проходы тщательно изолируются друг от друга – так минимизируются «протечки». Это еще сильнее усложняет конструкцию.

Существует комбинированное многоступенчатое оборудование, извлекающее выгоду из разных конструкций. Все зависит от производителя и технологий, которыми он руководствуется.

Основные характеристики турбомолекулярных насосов

Подбор конкретной модели зависит в первую очередь от технических характеристик. Помимо габаритов и веса (влияют на возможность установки в конкретных условиях производственного цеха) обратите внимание на следующие параметры:

Мощность двигателя. Чем выше показатель, тем лучше производительность. Но возрастает и нагрузка на электрическую сеть. Также стоит задуматься об источнике бесперебойного питания соответствующей мощности.
Скорость откачки воздуха. Измеряется в литрах в секунду. Определяет, какой объем газа можно выкачать из емкости или помещения за определенный отрезок времени.
Предельное давление остаточных газов. Обычно находится в районе от 10^-8до 10^-6 Па. Определяется производственным циклом.
Скорость вращения ротора. Сказывается на степени вакуума.
Время выхода на рабочий режим. Насос не сразу готов к работе – ему требуется время для набора номинальных характеристик. Следует учитывать параметр, чтобы избежать простоя на производственной линии.

Среди других данных, указанных в технической документации – коэффициент компрессии по азоту, гелию, водороду; тип подшипников; монтажное исполнение; максимальная температура прогрева. Есть требования производителей по условиям окружающей среды (влажности и температуры).

Преимущества и недостатки турбомолекулярных насосов

Плюсы:

Создание глубокого вакуума без влияния масла на газовую среду. Откачиваемый объем получается чистым и может использоваться в дальнейшем по своему усмотрению.
Турбомолекулярные насосы справляются с огромными потоками и способны работать с инертными и коррозийными газами. Агрессивная среда – не помеха.
Компактные габариты, вертикальное или горизонтальное исполнение на выбор. Монтаж полностью описан заводом-изготовителем и не вызовет трудностей.
Низкий уровень шума, практически неощутимые вибрации даже на максимальных оборотах (касается в первую очередь моделей с магнитным подвесом ротора). В одном помещении с насосом спокойно могут находиться люди.
Относительно быстрый выход на номинальные параметры, если сравнивать с другим вакуумным оборудованием.

Минусы:

Восприимчивость к твердым частицам в перекачиваемой среде. Даже малейшие загрязнения способны сначала поцарапать, а потом полностью привести в негодность лопатки. Проще будет купить новый аппарат.
Трудоемкий процесс ремонта (особенно с классическим исполнением подшипников). Большую часть повреждений не восстановить в условиях производства.

Сфера применения турбомолекулярных насосов

Глубокий вакуум необходим в научных исследованиях. Например, когда воссоздаются условия открытого космоса. Также среда без лишних молекул применяется в ускорителях частиц (Большой Адронный Коллайдер). Турбомолекулярный насос – часть аппарата МРТ.

Вакуумное оборудование используется в авиации, металлургии, атомной промышленности, при создании солнечных батарей, выпуске полупроводников и различной электроники. Высокопроизводительные масс-спектрометры также нуждаются в насосах, способных снизить давление до предельных значений.

Ремонт турбомолекулярных насосов

Ремонтопригодность турбомолекулярных насосов – одна из проблем, отталкивающих покупателей. Восстанавливать их должен профессионал, а лучше – завод-изготовитель. Когда речь идет об Agilent, Busch, Edwards, Leybold, Pfeiffer Vacuum и других представителях американского и европейского рынка, поставки запчастей могут создать массу проблем из-за сложности логистической цепочки.

Рядовая неисправность вакуумных устройств – износ подшипников и уплотнений. При достаточном опыте восстановить их работоспособность можно собственными силами. Когда же речь идет о повреждении ротора, придется отправлять насос производителю. Некоторые детали конструкции подгоняются с точностью до микрона, что невозможно реализовать вне заводских условий.